基于精細化理念的卵石砂巖地層超深基坑施工成套技術(shù)

彭 真

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

隨著我國城市化進程的加速推進，土地資源稀缺的問題越來越突出，對超高層建筑的需求也越來越迫切。目前，我國超高層建筑主要集中在東部沿海地區(qū)，在西北部地區(qū)還相對較少。隨著我國東部地區(qū)超高層建筑建設的日趨飽和，越來越多的超高層建筑將出現(xiàn)在我國的中西部地區(qū)，工程建設面臨的水文地質(zhì)條件將大不相同，為大面積超深基坑的建設帶來全新的挑戰(zhàn)[1-5]。

本文以蘭州鴻運金茂綜合體一期工程為背景，立足富水卵石砂巖地層特性，從精細化理念出發(fā)，探討我國西北地區(qū)典型雙層土特性下的超深基坑全過程精細化施工解決方案。

1 工程背景

蘭州鴻運金茂綜合體一期工程位于我國甘肅省蘭州市，工程主要包括2棟超高層辦公塔樓、大型綜合商業(yè)裙樓及配套地下設施等，兩塔樓建筑高度分別為249.8 m和149.8 m，商業(yè)裙樓建筑高度為43.8 m；項目共設地下室4層，局部區(qū)域設5層地下室；基坑開挖面積約2萬 m2，周長約560 m，其中塔樓區(qū)域基坑最大開挖深度為23.6 m，裙樓區(qū)域基坑最大開挖深度為21.6 m，曾是我國蘭州地區(qū)房建領(lǐng)域的最深開挖基坑。

本工程基坑支護形式采用“地下連續(xù)墻結(jié)合圓形內(nèi)支撐體系”，其中圍護形式為：東、西、南三側(cè)采用“兩墻合一”地下連續(xù)墻，北側(cè)考慮綜合體二期工程階段性開發(fā)，采用臨時隔斷地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻均厚800 mm；水平支撐形式為：普遍區(qū)域采用“2道圓環(huán)支撐＋桁架支撐”，局部近接深層區(qū)域設置3道混凝土角撐，南、北及東側(cè)支撐圓環(huán)距離基坑邊較近區(qū)域設置混凝土臨時加強封板，由于施工場地嚴重受限，為了方便施工場地布置，在場地西南角、東北角分別設置施工棧橋平臺及坡道（坡度不大于1/10）1處。豎向支撐形式為：鉆孔灌注樁內(nèi)插角鋼格構(gòu)柱結(jié)合樁端后注漿。基坑支護形式詳見圖1。

圖1 基坑支護形式

2 工程難點

本工程地處我國西北地區(qū)黃土高原的腹部—蘭州，工程所處區(qū)域地表覆蓋著第四系沖擊層，其下廣泛分布著第三系巨厚風化砂巖，又稱紅砂巖，由上至下依次為人工填土（層厚0.5～5.4 m）、粉砂層（層厚0.3～2.8 m）、卵石層（層厚1.8～10.6 m）及砂巖層（層厚大于55 m）；其中卵石含水層透水性較好，水量較大，滲透系數(shù)高達27 m/d，主要受上游和高階地潛水、河水補給，以側(cè)向徑流為主；砂巖含水層滲透性較差，水量較弱，滲透系數(shù)為4 m/d，與上覆卵石層互聯(lián)互通，形成統(tǒng)一潛水含水體系。受限于工程水文地質(zhì)條件及周邊環(huán)境，本工程施工主要面臨以下2個方面的難題：

1）本工程基坑開挖深度范圍內(nèi)水文地質(zhì)條件極為復雜，呈現(xiàn)較為典型的雙層土特性，即卵石層存在卵石粒徑分布范圍較廣（粒徑分布范圍2～20 cm）、粒間填充物較少、含水量豐富且滲透性較強等特點；砂巖層存在厚度較大、遇水易軟化、含水擾動后強度急劇降低、滲透性弱等特點。上述土體的不良特性為鉆孔灌注樁成樁、地下連續(xù)墻成墻、大面積超深土體高效開挖等提出了諸多難題，如成孔（墻）難度大、易發(fā)生塌方、工藝參數(shù)調(diào)節(jié)難度高、砂巖原基保護要求高等。

2）本工程地處蘭州市中心城區(qū)，具有人口密度較高、交通流量較大、市政生命管線錯綜復雜、周邊建（構(gòu)）筑物眾多等難題；其中東側(cè)及南側(cè)信息管線距離基坑最近1.3 m，西側(cè)甘肅省信息中心大樓（地上14層，地下2層，埋深約7 m）距離基坑邊線最近6.2 m，北側(cè)居民樓（地上5—6層磚混結(jié)構(gòu)）距離基坑邊線最近8.5 m；均在2倍基坑開挖深度范圍之內(nèi)，環(huán)境保護及文明施工要求較高。

3 精細化施工成套技術(shù)

3.1 精細化選型

大面積超深基坑工程支護方案的選型至關(guān)重要，不同的支護方案工期、造價以及施工便利性差異很大。如何在滿足基坑安全的前提下，合理選擇基坑支護結(jié)構(gòu)，以最大限度滿足工程工期、經(jīng)濟性以及施工便捷等多方面的要求是超深基坑工程選型的關(guān)鍵因素。

本工程在多方面比較“地下連續(xù)墻＋內(nèi)支撐”及“地下連續(xù)墻＋預應力錨索”方案優(yōu)缺點的基礎上確定了地下連續(xù)墻結(jié)合2道圓形支撐的支護形式：

1）若采用“地下連續(xù)墻＋預應力錨索”支護形式，首先考慮到錨索錨固力以及支錨剛度較小，為控制基坑圍護體的受力和變形，基坑裙樓普遍區(qū)域沿豎向須設置6道預應力錨索，塔樓區(qū)域沿豎向須設置7道預應力錨索，錨索的數(shù)量偏多；其次，錨索在卵石層內(nèi)的成孔難度大，卵石粒徑的不均勻性極易導致成孔受阻或成孔偏斜的情況，影響最終的錨固效果；再次，錨索成孔完成后，須用清水沖孔，如在砂巖層內(nèi)，將導致孔壁周邊砂巖軟化，強度喪失，嚴重影響最終的錨固效果。若采用“地下連續(xù)墻＋內(nèi)支撐”的支護形式，則不受場地特殊地質(zhì)條件的影響，整個基坑只須設置2道圓環(huán)支撐，整體基坑支護結(jié)構(gòu)施工工期較短。

2）若采用“地下連續(xù)墻＋預應力錨索”的支護形式，預應力錨索施工容易對周邊已有市政設施及建（構(gòu)）筑物地下空間等造成破壞，增加后期緊鄰工程建設的清障工作量。

因此，雖然“地下連續(xù)墻＋內(nèi)支撐”支護形式的經(jīng)濟性不如“地下連續(xù)墻＋預應力錨索”有優(yōu)勢，但是從滿足基坑安全及文明施工的角度出發(fā)，采用地下連續(xù)墻結(jié)合內(nèi)支撐的支護形式優(yōu)于地下連續(xù)墻結(jié)合預應力錨索的支護形式。

3.2 精細化成墻

本工程地下連續(xù)墻施工面臨的最大問題是：如何在上部是堅硬卵石層、下部是遇水強度急劇衰減的砂巖層進行高質(zhì)量（無泥漿流失、槽壁穩(wěn)定性好、槽底沉渣少、成槽垂直性高等）、高效率成槽作業(yè)。

為此，本工程在地下連續(xù)墻正式施工前，分階段進行了有針對性的2次成槽試驗，每次成槽深度均根據(jù)不同地層特性進行精細劃分，并對設備參數(shù)、沉渣厚度、泥漿性能指標等進行了詳細記錄和檢測。

通過2次試成槽，對泥漿性能進行了全面優(yōu)化，實現(xiàn)了不同土性不同深度情況下泥漿比重、黏度、含砂率等技術(shù)指標的精細化調(diào)控，大幅提高了成墻過程中的墻壁穩(wěn)定性，降低了塌方、縮頸等質(zhì)量事故發(fā)生的概率，該項技術(shù)也在鉆孔灌注樁成孔工藝中得到了大幅應用，實際效果顯著。

3.3 精細化成樁

由于本工程水文地質(zhì)條件特殊，卵石砂巖2種土體特性差異巨大的土層呈上下疊層分布，為鉆孔灌注樁施工帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。首先，超厚大粒徑卵石層的成孔作業(yè)不僅對鉆進設備功率、鉆機鉆速等要求較高，同時對設備的清障能力（如大直徑漂石等）提出了更高要求；其次，傳統(tǒng)鉆孔灌注樁施工工藝不能適應新型卵石砂巖雙層土地基，需根據(jù)試成孔全過程的精細化檢測對鉆頭選型、工藝參數(shù)等進行逐項優(yōu)化。

如針對不同地質(zhì)條件采取不同類別的旋挖鉆機鉆頭進行施工：填土層采用挖土鉆頭鉆進，粉細砂層采用雙底板撈砂鉆頭鉆進；卵石層中先用螺旋鉆頭鉆進，再用旋挖筒取渣；砂巖采用嵌巖短螺旋鉆頭鉆進，配合用雙底板撈砂鉆斗清渣，成孔后，更換專用清底鉆頭對樁端沉渣進行清理；當鉆孔中遇到大漂石時，采用特制的大漂石抓取鉆對漂石進行處理。

同時，在格構(gòu)柱垂直度控制方面，本工程研發(fā)了特制格構(gòu)柱調(diào)垂架，結(jié)合輔助調(diào)垂裝置，通過全站儀和內(nèi)置在調(diào)垂架上的手動調(diào)垂機構(gòu)（圖2）可實現(xiàn)格構(gòu)柱的高效精準就位。

圖2 格構(gòu)柱調(diào)垂架示意

3.4 精細化開挖

得益于原始砂巖層承載力較高的特性，本工程采用筏板基礎，以砂巖層作為上部建筑的持力層，但由于該地區(qū)上部卵石層含水量較大、地下水位較高，且紅砂巖具有遇水軟化、含水擾動后強度急劇降低的特性，為基坑工程土方開挖造成了巨大困難。

因此，如何在保證不擾動紅砂巖地基承載力的基礎上，實現(xiàn)上部富水卵石砂巖地層的精細化降水、大面積超深基坑土體高效安全精細化卸載成為制約本工程施工的重大技術(shù)難題。

在精細化降水方面，本工程卵石層中地下水由于受上游和高階地潛水/河水補給，以側(cè)向徑流為主，水量較大，如何將卵石層地下水充分抽排疏干，確保下部砂巖層不受上部卵石層潛水的影響成為基坑降水的重點。為此，本工程開挖前進行了卵石層預降水，并在開挖至卵石層后，沿地下水徑流方向布置截水明溝進行二次降水。同時，考慮到對砂巖層的保護，本工程砂巖層采用了“多級分層按需降水”方案，即通過在基坑內(nèi)設置3道抽水線，根據(jù)砂巖層含水量變化情況，并結(jié)合土方開挖進度實時調(diào)整井點布置方案，以達到精細化降水目的。

在精細化土方卸載方面，本工程土方開挖量約43萬 m3，如何在施工場地嚴重受限、砂巖層原基保護要求高、降水工藝煩瑣的情況下實現(xiàn)大面積超深基坑土體高效安全卸載成為基坑開挖的重點。為此，本工程提出了“島盆結(jié)合、精準分層”的開挖方案，即總體流程為“島→島→島→島→盆”5批次分層開挖，并通過在兩側(cè)斜向棧橋平臺延伸設置臨時上下坡道，控制連續(xù)放坡坡度、開挖面高差、開挖與支撐施工工序等的合理籌劃，解決了空間受限條件下的超大面積土方卸載難題。

同時，為了減少大型設備開挖對下部砂巖層的擾動，臨近基礎標高800 mm左右時，采用小型機械進行土體開挖，并結(jié)合人工清底，盡量減少對砂巖層原基的擾動影響。

4 工程施工效果

1）本工程鉆孔灌注樁共計194根、地下連續(xù)墻共計97幅。在施工過程中均未出現(xiàn)坍孔、縮頸、槽壁失穩(wěn)、樁身傾斜等質(zhì)量缺陷，所有受檢樁基及地下連續(xù)墻均未發(fā)現(xiàn)缺陷，墻深完整性較好，均判定為Ⅰ類，滿足設計及規(guī)范要求。

2）通過對基坑開挖階段周邊管線、市政道路及建筑物的沉降及變形監(jiān)測，最大沉降33 mm，距離基坑最近的信息中心大樓最大沉降1 mm；地下連續(xù)墻最大側(cè)向位移47 mm。上述數(shù)據(jù)表明：本工程采用“地下連續(xù)墻＋內(nèi)支撐”的支護方案，結(jié)合精細化降水及開挖方案，有效控制了圍護樁自身變形，保證了基坑整體安全，降低了工程施工對周邊環(huán)境的擾動影響。

5 結(jié)語

西北地區(qū)典型的富水卵石砂巖土特性為傳統(tǒng)基坑工程施工帶來了全新的技術(shù)挑戰(zhàn)，本工程圍繞基坑支護方案選型、地下連續(xù)墻成墻、鉆孔灌注樁成樁、大體量土方開挖及降水施工等面臨的技術(shù)難題，從精細化管控的理念出發(fā)，有針對性地對相關(guān)施工工藝及主要參數(shù)進行了優(yōu)化，在西北富水卵石砂巖地層中成功施作了地下連續(xù)墻及鉆孔灌注樁，解決了超深基坑大面積土方卸載難題，為后續(xù)該地區(qū)類似工程設計及施工提供了參考。